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液体活检,追寻癌症踪迹的捕手

2016/05/07 来源:测序中国
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导读
基因测序技术的快速发展使液体活检概念的临床转化成为了现实。目前液体活检采用的三种主要方法是:分析循环肿瘤DNA、在血流中检测完整的肿瘤细胞、捕获肿瘤释放的被称作外泌体的小囊泡。科学家还发现血小板也可以提供关于癌症的线索。


肺活检是一种侵入性且让人不适的检测,尤其是对80岁的老人来讲。但是丹娜法伯癌症研究院的肺肿瘤专家Geoffrey Oxnard用这种方法分析了老人的肿瘤情况,针对性用药治疗后病人的肿瘤似乎消失了。

然而一段时间后,老人又饱含痛苦的回到了Oxnard的诊所。检测结果显示癌症复发了,如果要追踪复发的遗传原因需要进行另一次侵入性肺活检。

但是,Oxnard为老人提供了另一种选择:“我们只检测你的血液吧。”这种被称为液体活检的检测在一天内就在血液中发现了微量肿瘤DNA,揭示了对治疗产生抗性的突变。幸运的是,针对该突变的药物已经进入了临床试验阶段。有基因图谱在手,Oxnard将他的病人登记到研究中,老人的病情再次进入缓解期。

研究发现,肿瘤细胞碎片,甚至整个肿瘤细胞会从原发肿瘤上脱落,进入循环血液,正是这个发现才导致了液体活检的产生。利用液体活检,研究者可以对血液样本中的肿瘤DNA进行分析,确定癌症的遗传特点,而不需要提取固体肿瘤组织。基因测序技术的快速发展使液体活检概念的临床转化成为了现实。目前液体活检采用的三种主要方法是:分析循环肿瘤DNA、在血流中检测完整的肿瘤细胞、捕获肿瘤释放的被称作外泌体的小囊泡。科学家还发现血小板也可以提供关于癌症的线索。

液体活检的优点是速度快、方便、痛苦少,而且可以帮助临床医生密切监测肿瘤对治疗的响应情况,预测肿瘤复发。从长远角度看,临床医生甚至可以在病人未出现任何症状的最早期阶段利用液体活检发现肿瘤。血流中循环DNA的基因信息可以提供机体内癌症基因的大致情况,甚至指出癌症的起源。

投资者们对此非常兴奋,资金正在涌入专注于液体活检的初创公司。例如,Illumina公司在1月份推出一家分公司Grail,将研发应用于多种癌症早期检测的基于血浆的基因筛查方法。

但是在液体活检能够取代临床手术活检之前,研究者还需要进行大量的测试。监管部门仍然担心液体活检的灵敏度和精确度,例如,Oxnard的病人在进入临床试验前,被要求进行另一次传统的组织活检来确认液体活检的结果。

然而研究人员表示,液体活检毫无疑问终将替代手术活检,这只是时间和形式的问题。首先需要解决的问题是降低检测费用,增加灵敏度。

游离DNA片段

少量DNA持续不断的进入血流中。即使健康人体内也会存在这种遗传漂浮物,它可能来自机体各个地方。香港中文大学化学病理学家Dennis Lo意识到,如果孕妇胎盘会释放胎儿的DNA,那么肿瘤同样也会释放DNA。Lo开创了无创产前筛查,可检测胎儿染色体异常情况,目前该检测已被广泛应用。但是这些检测同样会得到一些意想不到的信息,一些准妈妈在检测中发现自己患有癌症。

随着更加精准的下一代测序技术的出现,液体活检已经可以检测游离肿瘤DNA,因为它可以将游离肿瘤DNA与正常DNA区分开。除此之外,数字PCR(dPCR)还可以帮助研究人员检测或者定量肿瘤DNA的特定片段,即使其含量只占血液中DNA总量的0.1%。

纽约大学兰贡医学中心皮肤科医生David Polsky的研究显示,微滴式数字PCR技术可以通过追踪循环DNA,监控治疗后转移的黑色素瘤。他说,“这些检测的灵敏度很高,因为这些检测在实验室的研究结果太令人印象深刻了,临床医生对其非常感兴趣。”

数字PCR,尤其是微滴式数字PCR非常容易操作,而且便宜,促使多种液体活检可能被广泛应用。但是数字PCR的一个缺点是,临床医生必须知道他们要检测的异常DNA序列是什么。因此,测序可能更适用于一些临床适应征,因为测序可以帮助临床医生在不知道引发癌症的基因改变是什么的情况下寻找突变。

目前,尽管一些血液检测已经进入商品市场,液体活检仍主要局限于基础研究和临床研究中。医疗诊断公司Pathway Genomics因为直接向消费者出售血液检测产品,在2015年9月受到美国食品和药物管理局(FDA)的指责。Pathway公司这款售价699美元的CancerIntercept Detect筛查检测,针对那些极有可能患上癌症的健康人群,FDA说,这项检测并没有获批可以直接面向消费者出售,而且还没有得到充分的临床验证。公司反驳说这项检测有医生参与,而且并不是一种直接面向消费者的模式。

Lo目前已经完成了一项2万人的鼻咽癌筛查,鼻咽癌是一种罕见的头颈部癌,但是这种病在中国南方男性中非常常见。2013年的一项研究中,Lo的小组筛查了1300个健康人,发现其中3人处于癌症早期(stage 1)。Lo不久将展示这项研究的全部结果。他说,“我们可以检测处于癌症早期(stage 1)的病人,这是一件非常了不起的事。”因为在癌症早期接受治疗的病人中95%都可以治愈。他还补充道,这三个人及时接受了治疗,目前仍然健康。

鼻咽癌非常容易被检测到。鼻咽癌是由EB病毒引起的,该病毒感染机体后留下特异性的基因组足迹,一种简单的、每次检测费用约为25美元的数字PCR就可以检测到。但是其他大多数类型的癌症是一种未知的突变模式。Lo说,虽然在大规模癌症基因组测序计划的帮助下,科学家们已经找到了大量的肿瘤标记物,但是还有更多的肿瘤标志物需要我们去发现。

为了追踪DNA片段的来源,科学家们已经开始考虑从DNA片段大小着手。游离在血流中的DNA片段中,来自正常细胞的一般长度为100~200bp,而且会围绕在组蛋白上。组蛋白包裹着DNA以不同的方式进入到不同细胞的细胞核中,因此DNA的长度可能指示释放该DNA的器官。在多种类型的癌症中,肿瘤DNA(就像胎儿DNA)比血液中正常的DNA片段要短,而浓度高、非常短的片段一般与肿瘤转移有关(癌症向全身迁移)。组织特异性转录因子和其他标志物的存在还可以揭示肿瘤的起源。Lo说,根据这些基因信息,临床医生可以合理推测在机体哪个部位检测肿瘤。

发现癌症复发

追踪病人的循环DNA同样带来了另一种全新的可能性,我们可以在非常早期的阶段检测癌症转移情况,而不需要再进行反复的侵入性检测。过去的几年中,科学家们一直在那些接受治疗并推测已摆脱癌症的女性中研究循环DNA,寻找癌症复发的迹象。密歇根大学健康系统的肿瘤学家和研究员Muneesh Tewari说,这是早期发现癌症复发转移的重要一步。

2015年的一项研究中,20个乳腺癌患者的血液检测结果揭示了癌症转移的迹象,而用标准的临床工具诊断这种转移现象可能3年后才能检测到。检测到的生物标志物是循环DNA中发生的染色体重排。这些重排通常发生在癌症的早期,科学家们可以利用这些变异设计引物进行数字PCR检测。

瑞典隆德大学的Lao Saal领导了这项研究,他说,“我们认为循环肿瘤DNA是检测乳腺癌复发的非常好的生物标志物,但它之前并没有真正被证实。当我们发现这个结果时,非常兴奋。试想你可以提前三年检测到这种情况,我们认为这也许会导致不同的临床结果。”

另外一项55名乳腺癌患者参与的研究中,在症状出现前8个月就检测到了癌症复发的情况,同样也是利用数字PCR检测突变。伦敦癌症研究所Nicholas Turner的小组发表了这项研究结果,他说,“20%患有乳腺癌的女性会因为癌症死去。我们需要更好地识别这20%未被当前的治疗方法治愈的患者。”

Saal和Turner都将来自病人原发肿瘤的DNA和治疗后采集的循环DNA进行了比较。Saal创立了SAGADiagnostics公司,希望与癌症专家合作在临床上验证其检测。Saal也在努力提高数字PCR识别其他点突变的灵敏度,以用于诊断和监测疾病。Turner的小组开始了一项临床试验,评估其检测能否预测人们对一类新的免疫治疗药物“免疫检查点抑制剂”的反应,该药物可以启动人体的免疫系统。

Tewari说,尽管液体检测已经开始在一些诊所中站稳脚跟,但是还不清楚寻找那些已知的基因变异对病人的生命会有什么影响。Turner说,肿瘤的耐药性可能是由那些如今还未发现的突变引起的,所以我们需要利用下一代测序技术监测所有可能的肿瘤突变。

完整的肿瘤细胞

虽然游离DNA最近才发现,但是科学家们早在1869年就在血液中发现了肿瘤细胞。文献中描述了40多种分离肿瘤细胞的仪器。但目前只有Veridex公司的CellSearch系统获得了FDA的批准。长期以来,科学家们坚持认为血液中肿瘤细胞的数量可被用于评估病人癌症的侵袭性。

然而临床结果并不理想。例如,2014年美国国家癌症研究所西南肿瘤协作组发表的一项研究显示,通过捕获和计数转移性乳腺癌病人血液中的肿瘤细胞,有可能识别部分患上更恶性癌症的患者。虽然这些女性接受了另一轮化疗,但并没有改善她们的转归。斯坦福大学的临床肿瘤学家Stefanie Jeffrey说,由此可见,肿瘤细胞计数在预测方面没有实用价值。她补充道,但是现在下结论也太快了,不如说这种方法只是一个没有起到效果的额外治疗手段。美国临床肿瘤学会(American Society of Clinical Oncology)并不建议通过细胞计数来帮助医生指导治疗。

相对于仅计算肿瘤细胞数量,更好的选择是对这些细胞的DNA或RNA进行测序,以提供更深入的导致病人癌症发生的基因变异信息。随着分离技术的改进,我们可以从病人体内获取更多活细胞,数量多到足够研究人员培养这些细胞或者移植到小鼠体内进行功能研究。研究得到的每一个信息都可用于指导病人治疗。德国汉堡-埃彭多夫大学医学中心肿瘤生物学研究所所长Klaus Pantel预见这项技术在预测肿瘤对靶向治疗的响应方面具有潜力。例如,研究人员可能在细胞表面发现PD-L1,一种帮助肿瘤逃避免疫系统的蛋白,可以作为免疫治疗药物的靶点。

外泌体检测

第三种液体活检方法是外泌体检测。外泌体是指包括肿瘤在内的所有活细胞分泌的微型囊泡,像母细胞一样,它们含有DNA、RNA和蛋白质。关于它们许多仍然是未知的,但是基于外泌体的癌症检测已经商业化推出了。今年1月,Exosome Diagnostics公司研发出一种血液检测,通过分析肿瘤外泌体RNA检测肺癌,通过了美国CLIA认证在实验室使用。外泌体可以从病人血液中获取,也可从其他体液中获取,例如尿液,这比起血液更方便也更简单。然而,与分离游离DNA或者肿瘤细胞相比,分离肿瘤外泌体仍然极具挑战性,因为它们大小不一,而且还要与正常细胞来源的外泌体区分开。因此这项技术还需要一段时间才能足够成熟地应用于其他类型癌症检测。

Tewari说,每种类型的检测都为生物学和病程提供了不同的研究窗口。这些技术还需要不断改进,但是临床医生对液体活检如今的能力仍然感兴趣。Oxnard说,“它们在帮助病人获得正确的治疗方面起到了非常重要的作用。”

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